电站锅炉鳍片管省煤器鳍片尺寸优化模型阎维平,孟雪梅,吕玉坤(华北电力大学动力系,河北保定071003)摘要:在电站锅炉省煤器典型工况下,以矩形直鳍片的高度和厚度优化为目的,从鳍片管换热机理和传热控制方程出发,得到了在鳍片金属质量一定条件下换热量最大时的鳍片尺寸选取的数学模型,并以某一电站锅炉省煤器为对象,说明了寻优的方法和步骤,计算分析了烟气流速及污染系数对优化尺寸的影响规律。节约的金属材料(即减少的投资),希望所得的结果对省煤器鳍片的优化设计有一定的参考价值。2优化理论模型首先从矩形直鳍片管换热机理模型出发,建立传热控制方程1,根据文献2的推导思路,通过参数无量纲化,将复杂的齐次常微分方程求解转化为求数学极值,在鳍片横截面积一定条件下,得到优化尺寸选取函数。2.1传热控制方程矩形直鳍片管的物理模型如图1所示,管内水纵向冲刷,管外烟气横向冲刷。核心管及鳍片为具有相同导热系数λ的均关键词:电站锅炉;省煤器;鳍片管;尺寸优化:TK223.3文献标识码:A1引言省煤器对锅炉的安全运行、排烟温度及锅炉效率有很重要的影响。相当一部分服役时间较长的电站锅炉均已经或拟对省煤器受热面进行改造,为了在有限布置空间内实现减轻磨损和降低排烟温度,因此常必须采用扩展受热面管圈,其中绝大部分采用鳍片管。鳍片管省煤器的设计与光管省煤器的主要差别是需要选取鳍片的几何尺寸(高度和厚度),这关系到受热面设计的技术经济性。从理论上,随鳍片尺寸增加,参与换热的外表面积增加,但鳍片传热效率将随之降低。因此,在不同的工况下,一定存在一个在相同金属消耗量下换热量最大的鳍片几何尺寸。由于鳍片管省煤器的造价较高,电厂一直很关心鳍片管省煤器设计的最优化,以探求进一步减少投资的可能性。本文针对电站锅炉省煤器的典型工况条件,以矩形直鳍片的几何尺寸优化选取为目的,在鳍片金属质量(即鳍片横截面积)一定的约束条件下,根据扩展受热面传热控制方程,理论推导换热量最大时的鳍片几何尺寸选取的数学模型,并以某一电站锅炉省煤器为对象,说明了计算的方法和步骤,计算分析了烟气流速对优化尺寸的影响规律及优化前后所图1鳍片管侧视图质金属材料,鳍片中的热为沿径向的一维稳态且无内热源导热;整个鳍片表面与烟气对流换热系数h、管内壁与流体的对流换热系数hf、烟气温度tg和管内流体温度tf均恒定,且鳍片顶端视为绝热,暂不计受热面表面的污染。坐标原点选在鳍片顶端,x是从顶端到肋基的高度坐标,对应的温度为t。根据传热学的基本原理,得到传热控制式(1)和相应的边界条件:---本文来源于网络，仅供参考，勿照抄，如有侵权请联系删除---d2t2h(tg-t)定义无量纲传热量Ql:,0=-<x<bdx2λδQQl=(9)2/3x=0,dt=02hA(1)λ(tf-tg)dxλ将式(8)代入式(9),则得到无量纲传热量Ql的表达式:tf-tbx=b,λdt=dx1/hf+δ0/λ+RtcN-1/3sh(N其中:Rtc为鳍片根与管壁的接触热阻,对焊接良好的鳍片管可忽略不计。定义以下无量纲参数:llQl=(10)1/3RlNlsh(Nl)+ch(Nl)2.2最大传热量下的鳍片尺寸优化函数为求得Ql的极值函数,将上式对变量Nl求导,2t-tg,N2=2hbξ=x,θ=lbtf-tgλδ并令其值为零,即:代入式(1)得无量纲微分方程:dQld2θ=02dNl=Nlθ,0<ξ<1dξ2经推导整理得到换热量最大时的鳍片尺寸应满足的函数关系:ξ=0,dθ=0,dξ(2)-2/32(-14RlNlshNl+Nlsh2Nl-6=0)()(11)1-θbξ=1,dθdξ=δ0λRtc++λ当鳍片横截面积A一定时(且放热系数、材料导热系数等已知),先根据式(5)求得无量纲换热热阻Rl,再由式(11)得到最优无量纲参数Nl值,联立求hfbbb式(2)为二阶常微分方程形式,其特解为:ch(Nlξ)(3)θ=δ0λRtcλsh(Nl)+ch(Nl)Nl++hfbbb将式(3)分母中代表热阻的部分进一步表示为:3算例与分析λ+δ0+λRtcRN1/(4)N=lllhfbbb3.1计算对象与工况以某台410t/h电站锅炉已改造的鳍片省煤器的设计参数为计算示例依据,根据以上优化模型,计算分析了在相应工况下鳍片高度和厚度的优化结果,进一步说明计算步骤。由于省煤器改造设计中,烟气流速和污染系数是两个重要的设计参数,因此也讨论了一定范围内变化烟气流速和污染系数对尺寸优化结果的影响。表1为主要改造设计参数及计算变量。式中:Rl—无量纲换热热阻,表达为:1/3δ0λRt...